3D打印『破圈』元年
作者 | 郭仁贤
出品 | 雷锋网产业组
受海外医疗防护物资紧缺影响，利用3D打印设备制作出的口罩、医用面罩、护目镜等一时间成了“救场奇兵”。
根据国内B2C跨境电商平台全球速卖通的数据显示，疫情以来该平台上3D打印机的销售额和去年相比已经翻了一番，尽管今年3D打印机的海外仓备货大幅增加，但疫情之下这些备货已被抢空。其中，4月份中国3D打印设备产量同比大幅增长344.7%。
那么，3D打印机的销量为何会因疫情而“走俏”？
雷锋网了解到，欧、美国家由于基础制造业较少，他们选择用3D打印技术去制造面罩、呼吸阀、口罩扣等紧缺的医疗物资。与传统制造模式相比，这种制造模式的好处是不受空间的制约，能够缩短供应链流程，生产效率更高，并且制造门槛也更低。
国内消费级3D打印机制造商创想三维，既是这一波3D打印风潮中的获益者，同时也是国内3D打印行业的主要参与力量。他们表示：
“3D打印只需要事先设计好，制作过程可以完全不用人工，减少了人力成本。其次，3D打印所需的工序更少，传统工艺在制作需要经过原型塑形、翻模、打磨的阶段，而3D打印则不需要加工机床和模具，复杂程度大大降低。虽然单个打印时间较长，但是批量化生产能缩短工艺流程。” “另外，3D打印的精确度远高于传统工艺塑形，它能够从一开始就尽早发现产品问题，避免没必要的返工，从而缩短产品设计周期，更快反应市场，降低企业开发成本，提高效率。”
为了带大家更深度地了解3D打印行业，近期雷锋网和创想三维、大势智慧等这些国内3D打印行业的主体力量进行了对话，从3D打印机、3D建模、行业未来趋势等视角展开交流。
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如何打印“世界”？
3D打印又称“增材制造”（Additive Manufacturing），它的出现可以说颠覆了人们对传统生产制造的认知。
与普通打印机相比，3D打印机的工作原理和前者基本相同，只是打印材料有些不同。普通打印机的打印材料是墨水和纸张，而3D打印机内装有粉末状的金属、陶瓷、砂，以及塑料等可粘合的打印材料。当3D打印机与电脑连接后，通过电脑控制可以把打印材料一层层叠加起来，最终把计算机上的模型变成实物。
起初，3D打印主要是在模具制造、工业设计等领域被用于制造模型，后逐渐用于某些产品或零部件的直接生产制造，比如在航空航天、工程施工、医疗、教育、地理信息系统、汽车等垂直领域都有所应用。
2015年，美国国家航空航天局（NASA）基于3D打印技术，打印出航空火箭发动机的头部。这使得零件大量减少，焊缝也随之减少，降低了火箭发动机出现故障概率的同时，使得迭代周期缩短、成本降低。 在迪拜，政府选择用3D打印来建造政府大楼。3D打印建筑主要作业由机器完成，一体成型，建筑速度快，工人的作用多为操作和检验3D打印机的工作情况，因此对人力的需求比传统建筑行业少。 2019年，美国加州大学圣迭戈分校利用3D打印技术，制造出模仿中枢神经系统结构的脊髓支架，成功帮助大鼠恢复了运动功能。 在英国利兹和爱丁堡大学的科学家，他们成功研制出仿生舌头。科研人员找到15名成年志愿者，在其舌头表面做了硅胶印模，再把印模通过3D扫描，绘制成数百个味蕾状结构的密度和尺寸......
另外，今年5月我国首飞成功的长征五号B运载火箭上，搭载着我国新一代载人飞船试验船，船上还搭载了一台“3D打印机”。这是我国首次太空3D打印实验，也是国际上第一次在太空中开展连续纤维增强复合材料的3D打印实验。
以上这些，大到工程建筑、火箭发动机，小到脊髓支架等都有用到3D打印技术，那么它是如何打印这一切的？
雷锋网了解到，3D打印产业链上游包括3D建模软件、3D建模扫描仪和3D模型数据平台等建模工具，以及各种3D打印材料。产业链中游主要是桌面级、工业级打印机等设备，再加上航空航天、船舶工业、汽车工业、轨道交通及医疗为主的一些下游应用。
据公开信息，目前3D打印采用的主流技术有：FDM熔融沉积、SLS粉末材料选择性激光烧结、DLP光固化、SLA光敏树脂选择性固化等。
国内主要专注于FDM和光固化技术研发与制造的3D打印机制造商——创想三维，谈及为何会选择这两大技术方向，他们表示：
“因为这两大方向是目前运用得最广泛、普及率最高的技术。创想三维自成立六年来，结合自身的技术、资源选择了FDM和光固化做运用功能的开发，为3D打印产业化真正落地助力。”
“在不少人眼中，3D打印机体积大、价格昂贵，并有较大的使用瓶颈，是属于少数人的游戏，因此创想三维希望将3D打印底层技术优化，为3D打印机的全球普及化发力，并坚持以消费级3D打印机为方向，使3D打印机平民化，走进千家万户，让人们享受到科技带来的便捷。”
此外，针对国外市场3D打印的发烧友玩家动手能力强，创造性高，希望产品可以DIY成自己想要的模样，国内一些3D打印机制造商的DIY系列产品正在满足这部分用户的需求，使其以较少的费用即可组装出一台他们需要的3D打印机。比如今年6月在海外Kickstarter平台众筹的 DIY新品CR-6 SE，就是基于此理念的产物。
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从3D打印机到3D建模
3D打印技术之所以受到青睐，一定程度上与其无模具限制，能够缩短研发周期，尤其适用于形状复杂、定制化、轻量化诉求强烈的柔性制造加工场景等因素有关。
同时我们也发现，现阶段的3D打印机打印速度比较慢，较为耗费时间。而大型的3D打印机，尽管看起来非常高端大气，但是不适合家庭的场景，同时桌面型3D打印设备更可以让3D打印机从“小众”走向“大众”。
近些年，创想三维3D打印机在海外市场的销售额正在大幅度增长。据创想三维官方信息，创想三维Ender-3 、CR-10 两大系列打印机在全球热卖，长期占据谷歌3D打印机全球搜索排行榜榜首。
而他们即将在市场上大力推广的光固化新品，正是为了满足用户的精细化要求，制造出速度更快、精度更高、性能更优、质量更可靠的光固化3D打印机，从消费级市场入手，普及光固化3D打印机的运用范围。
而至于3D打印机是如何精准地打印出特定的实物？这里不得不提到3D建模。
以3D打印在地理信息系统领域的应用为例，三维数据制造与应用服务商大势智慧正从小场景的3D建模到大场景的3D建模持续发力，可以算是国内很有代表性的一家企业了。
目前，他们面向的垂直领域已从食品、文博展示、游戏等拓展到智慧城市的消防、应急管理和工程施工。
雷锋网了解到，其对真实世界进行高精度数字化和3D建模时，主要包括数据采集和算法处理两大重点环节。前者中，类似于SLAM这种激光雷达的数据采集方式，成本相对比较高，并且在工作过程中还受到激光器的能量、接收时间等条件的限制。
因此，对城市进行高精度数字化时，其3D建模的数据采集一般采用摄影测量这种成本较低、性价比高的方式。另外，用于摄影测量的工业相机，由于嵌入了GPS等模块使得相机有了姿态和位置，其建模的结果只要基于一系列照片合成就行。
今年10月中旬，大势智慧基于实景三维重建引擎G-Engine1.0的三维语义化和技术储备，又最新推出G-Engine2.0。
对比1.0版本，G-Engine2.0版本的语义三维成果完成度更高，能够实现“按需单体化”，不仅可以在建模过程中完成对建筑、地形和道路的分类，还能进一步识别房屋楼层与路面植被，实现语义信息提取，真正实现三维数据从可“看”到可用。
谈及3D建模过程中的难点问题，大势智慧CEO黄先锋重点提到两点，首先是图像大规模处理过程的容错能力，再者是弱纹理区的匹配与文件处理。
首先在容错能力方面，黄先锋表示：
“就像我们拼图一样，如果只有100张图像要拼在一起，哪怕是人工操作一般也不会出错。然而，当我们有100万个图像时，仅是检索、匹配等这些操作的复杂程度就会大大升级，再加上有些图像比较相似甚至有损坏，各种各样的误差都要在处理过程中被系统自动地挑出来，最终使得计算机的计算过程准确无误。”
在弱纹理区的匹配与文件处理，黄先锋提到城市中有大量的区域是弱纹理的，这种情况下计算机在进行图像匹配时是很难分辨的，为此大势智慧将人工智能引入到这种细节的处理。
“比如同一张图像他们会提取很多特征点，通过计算点和点之间对应的连接图像的区域参数判断能不能匹配上。在此过程中，实际上会出现很多的这种不匹配的情况，但总能有一部分正确的匹配留下来，再以这些数据作为训练样本让计算机学习这些规则，人工智能技术根据原来数值解的匹配结果再来去做训练。”
在具体的应用中，大势智慧正用实景三维赋能行业，将三维数据服务广泛应用于众多行业领域中。
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从“小众”到“大众”
追溯其起源，我们发现3D打印这项技术是自上世纪80年代发明以来逐渐地走进人们的生产生活中，同时人们一步步在把万物皆可打印推向现实。
到了未来，3D打印将会是怎样的？
有专家观点认为，精密、微小的器械是未来3D打印的重点，同时行业发展也面临一些制约因素。一方面是生产速度，微纳3D打印一直在打印时间上无法超越传统注塑，很难形成批量化生产，所以较多的还是应用于前期产品研发阶段。
另一方面，是打印材料，现在主流的微纳3D打印仍然使用的是光固化（DLP）的方法，使用的材料较多的还是光敏树脂，有很多性能还无法达到工业产业化的要求。
创想三维则表示：
“制约3D产业发展的因素，首先3D打印机的使用门槛较高，由于3D打印涉及到建模这种比较专业的技术，因此它的使用有一定的技术壁垒。而创想三维通过建立创想云APP平台，汇集了万余种精致实用的模型，致力于做到一键化打印。” “其次，3D打印毕竟还是较新的行业，还处于功能开发运用阶段，创想三维也一直在努力，希望在3D打印技术上能有全新的突破。”
除了以上提到的这些，雷锋网了解到，目前3D打印产业还存在用户认知度不够的问题。不少人认为3D打印离自己的生活较远，并不知道3D打印能干什么，以及怎样为自己的生活带来便利......
而这一系列常态的背后，意味着我们需要更多有影响力的厂商来推动产业的进步，让普通百姓了解3D打印，使他们享受到科技带来的红利，只有这样，3D打印才能更好地从“小众”走向“大众”。